[论文解读] CNO dredge-up in a sample of APOGEE/Kepler red giants: Tests of stellar models and Galactic evolutionary trends of N/O and C/N

Fiorenzo Vincenzo, David H. Weinberg+9 more|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2021

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 5被引用 9

一句话总结

本研究利用 APOGEE 和 Kepler 对约 5,100 颗红巨星的数据测试恒星演化模型，通过校正 CNO 深对流过程以推导出生丰度。结果表明，标准混合模型能准确再现观测到的 N/O 和 C/N 趋势，而额外混合模型则失败；校正后的丰度揭示了与 [α/Fe] 相关的清晰银河系盘系趋势，对恒星年龄估算和核合成模型具有重要意义。

ABSTRACT

Surface abundances of C, N, and O in red giants are affected by processed material mixed into the stars' convective envelopes. Using a sample of $\sim 5100$ stars with elemental abundances from APOGEE and asteroseismic masses from {\it Kepler}, we test theoretical stellar models that predict this mixing, then apply these models to derive birth C, N, and O abundances for these stars. Our models with standard mixing can reproduce the observed trends to within plausible uncertainties in the birth abundances. Some models with ''extra'' mixing processes fail, predicting trends with surface gravity or evolutionary state that are not observed. Applying mixing corrections to the APOGEE abundances removes the observed age-dependence of log(N/O) and log(C/N), but it leaves trends of log(N/O) and log(C/N) with metallicity, as expected based on nucleosynthesis models. The stellar N/O trend agrees well with Dopita et al.'s calibration of gas phase log(N/O) with metallicity, and with gas phase trends in the MaNGA integral field survey of nearby galaxies. We also find a substantial separation in birth [N/Mg] ratios between high-[$α$/Fe] (''thick disc'') stars and low-[$α$/Fe] (''thin disc'') stars. We find a smaller but still clear separation for [C/Mg]. The trends of birth C and N abundances with [Fe/H] and [$α$/Fe] could affect spectroscopic age estimates for red giants that rely on the observed C/N ratio as a diagnostic of stellar mass.

研究动机与目标

• 将理论恒星模型中的 CNO 深对流过程与 APOGEE 和 Kepler 对红巨星的观测数据进行对比。
• 通过校正恒星演化过程中的内部混合过程，推导出 C、N 和 O 的出生丰度。
• 研究 N/O 和 C/N 比值随金属量和 [α/Fe] 变化的银河系化学演化趋势。
• 评估混合校正对基于 C/N 比值的光谱年龄估算的影响。
• 将推导出的趋势与邻近星系的气相测量结果及宇宙学模拟进行比较。

提出的方法

• 将 APOGEE 的光谱丰度数据（C、N、O、Fe、α-元素）与 Kepler 任务的星震质量数据结合，针对约 5,100 颗红巨星。
• 在 MESA 恒星演化模型中应用标准和增强混合过程，模拟红巨星分支期间表面丰度的变化。
• 使用混合校正推断出生丰度，以消除首次深对流和额外混合的影响。
• 追踪 log(N/O) 和 log(C/N) 随表面重力、金属量 ([Fe/H]) 和 [α/Fe] 的变化趋势，以检验模型预测。
• 将校正后的丰度趋势与 MaNGA 的气相测量结果及宇宙学模拟（Vincenzo & Kobayashi 2018）进行比较。
• 评估模型预测与观测到的年龄依赖趋势及校准不确定性的吻合程度。

实验结果

研究问题

• RQ1 标准恒星演化模型（含首次深对流）是否能准确再现红巨星中观测到的 N/O 和 C/N 趋势？
• RQ2 包含额外混合过程（如热盐对流或半对流）的模型是否会过度预测与年龄或表面重力相关的丰度趋势？
• RQ3 C、N 和 O 的混合校正后出生丰度在银河系盘中如何随金属量和 [α/Fe] 变化？
• RQ4 校正后的 C/N 和 N/O 趋势在多大程度上与邻近星系的气相测量结果一致？
• RQ5 高 [α/Fe] 与低 [α/Fe] 群体之间 [N/Mg] 和 [C/Mg] 的差异对核合成产额和化学演化有何启示？

主要发现

• 包含首次深对流的标准 MESA 模型在出生丰度的合理不确定度范围内，能准确再现观测到的 N/O 和 C/N 趋势。
• 包含额外混合的模型预测出表面重力或演化状态相关的虚假趋势，而这些趋势在观测中并不存在，表明其与数据不一致。
• 混合校正后的 log(N/O) 和 log(C/N) 无年龄依赖性，但表现出强烈的金属量趋势，与核合成模型一致。
• 校正后的 N/O 趋势与 Dopita 等人的气相校准结果以及 MaNGA 对邻近星系的观测结果高度一致。
• 在高 [α/Fe]（厚盘）与低 [α/Fe]（薄盘）恒星之间，出生 [N/Mg] 和 [C/Mg] 比值存在明显分离。
• 出生 C 和 N 丰度的 [Fe/H] 趋势表明氮的产量具有金属量依赖性，并支持 AGB 恒星对氮的时延贡献。